寺河煤礦二號井XV1101 巷采動影響下補強加固技術研究與應用

蔣楠楠

（晉能控股裝備制造集團有限公司寺河煤礦二號井，山西 晉城 048019）

1 工程概況

晉煤集團寺河煤礦二號井XV1101 巷沿西北-東南方向布置，巷道為輔助運輸大巷，為151 盤區提供運輸和行人服務。151 盤區主要開采15#煤層，煤層厚度為2.1～2.31 m，平均厚度為2.23 m。煤層直接頂為K2 石灰巖，質地堅硬，均厚為10 m。15#煤層與上方9#煤層間距28～30 m。XV1101巷與XV1102 巷和西膠帶大巷平行布置，三條大巷間的煤柱寬度為30 m。XV1101 巷沿煤層頂板掘進，巷道掘進斷面為矩形，掘進寬度×高度=4200 mm×2900 mm，巷道采用錨網索噴支護，頂錨桿和幫錨桿分別采用Φ20 mm×2400 mm 和Φ18 mm×2000 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為700 mm×700 mm，頂板錨索采用Φ15.24 mm×5300 mm 的鋼絞線，每排布置1 根，排距為3000 mm，巷道表面噴漿厚度為100 mm。具體巷道支護斷面如圖1。

圖1 XV1101 巷支護斷面示意圖（mm）

XV1101 巷在XV1303 工作面的東北方向，XV1303 工作面對應的上覆9#煤層的IX4309 工作面已回采完畢，IX4309 工作面與鄰近工作面的煤柱寬度為31 m，煤柱位于XV13032 巷和XV13034 巷的正上方，本煤層XV1303 工作面正在進行回采作業，具體巷道位置關系如圖2。XV1101 巷在采動影響下圍巖變形量大，主要表現為底板鼓起量大、兩幫移近量大，其中最大底鼓量達到600 mm，兩幫最大移近量達到0.9 m，且噴漿層剝落嚴重。為保障采動影響下XV1101 巷圍巖的穩定，急需采取有效的補強加固措施。

圖2 XV1101 巷多次采動影響平面示意圖

2 采動影響下巷道變形特征

為有效掌握XV1101 巷在采動影響下圍巖變形特征，采用現場觀測+鉆孔窺視的方式進行變形特征的分析。XV1303 工作面回采期間通過現場觀測得出巷道變形特征如下：

（1）巷道急速變形。由于巷道底板為鋁質泥巖，該類巖石遇水易產生膨脹[1-3]。根據巷道現場掘進過程中的觀測可知，巷道每掘進20 m 時，后方便需要進行刷幫和起底作業，巷道變形速率較快，其中巷道底板和兩幫的最大日變形量分別為700 mm 和800 mm，巷道的急速變形特征嚴重影響巷道正常進尺。

（2）巷道底板變形與破壞。由于巷道頂板堅硬，15#煤層整體處于松軟狀態，底板泥巖也屬于軟弱巖層，底板鋁質泥巖的單軸抗壓強度為2.8～4.6 MPa。由于目前巷道底板處于無支護的狀態，底板巖層在水平應力和垂直應力的共同作用下，產生較大的彈塑性變形，巷道底板變形速率較快，其中底板最快的底板鼓起量達到500～800 mm，底板變形呈現出中間高兩邊低的凸凹型，且存在一定的開裂現象。

（3）兩幫煤柱壓酥及錨桿失效。151 盤區所處區域的應力場較為復雜，XV1101 巷頂板巖層為堅硬的K2 石灰巖，在采動影響下，應力向巷道兩幫的松軟煤體內傳遞。巷道兩幫柱在多次采動影響下，其自身的承載能力會大幅降低，表現為煤柱由淺至深逐漸被壓碎，煤柱塑性區的范圍大幅增大[4-5]，煤柱的塑性區發育深度大于錨桿錨固深度后，錨桿支護處于失效狀態。

綜合上述分析可知，兩幫煤柱自身承載能力低、塑性區發育范圍大，是導致幫錨桿支護失效的主要原因。因此在進行補強加固時需提升煤柱的自身承載能力[6]，降低煤柱塑性區的發育深度；同樣底板鼓起量大的主要原因為底板巖層松軟，底板巖層在應力作用下自身易變形，因此據此分析確定對巷道兩幫和底板采用注漿加固的補強支護方案。

XV1101 巷在采動影響后，通過鉆孔窺視結果能夠看出巷道頂板及兩幫的窺視柱狀如圖3。

圖3 XV1101 巷采動影響后巷幫及頂板窺視柱狀圖

分析圖3 可知，采動影響后巷道兩幫6 m 深度范圍內的煤體均處于破壞狀態，其中破壞最嚴重的區域為巷道表面0～4 m 的范圍。該范圍內煤體破碎程度大，煤體內部裂隙發育程度高，且煤體內部含有大量的方解石礦脈。另外，從巷道頂板的鉆孔窺視結果能夠看出，頂板巖層中離層和裂隙發育程度較少，由于頂板巖層整體強度較大，其在采動影響下整體完整性并未遭到破壞，據此確定巷道進行補強支護時，應重點進行巷道兩幫和底板的控制。基于鉆孔窺視結果初步確定巷道兩幫的注漿深度應大于6 m。

3 補強加固方案及效果

3.1 補強加固方案

根據XV1101 巷變形特征的分析結果，結合巷道的具體特征，設計在巷道兩幫采用鉆孔注漿、底板采用注漿錨桿注漿加固的補強加固方式，通過注漿加固提升兩幫松軟煤體和松軟底板自身的承載能力。補強支護方案如下：

（1）注漿材料。采用水泥-水玻璃雙液漿，水泥漿的水灰比為0.6～0.7，水泥漿與水玻璃的比例為1:1。當漏漿嚴重時，可適當降低水泥的水灰比，水泥漿的水灰比的最低標準為0.5。

（2）兩幫注漿鉆孔布置。兩幫采用淺孔+深孔注漿相結合的注漿方式，其中淺部注漿孔參數為Φ42 mm×3000 mm，淺部注漿鉆孔間排距為1100 mm×3000 mm，兩排錨桿呈三花布置，兩幫底部鉆孔與兩幫成10°布置，其余鉆孔均垂直巷道兩幫布置；深部注漿鉆孔參數為Φ42 mm×8000 mm，淺部注漿鉆孔間排距為1100 mm×3000 mm，深部兩幫底部注漿鉆孔與巷幫成10°布置，其余深部鉆孔均垂直巷幫布置。淺部鉆孔的終孔注漿壓力為1～2 MPa，深部注漿鉆孔的終孔注漿壓力為4～6 MPa。具體兩幫注漿鉆孔的布置方式如圖4。

圖4 幫部淺部和深部鉆孔布置示意圖（mm）

（3）底板注漿錨桿布置。底板注漿錨桿參數為Φ32 mm×4000 mm，錨桿間排距為800 mm×2000 mm，每排布置4 個錨桿。兩底角錨桿與底板成45°布置，其余注漿錨桿均與底板垂直布置。注漿錨桿前端2 m 為封孔段，后端2 m 為射漿孔段。具體底板注漿錨桿布置方式如圖5，注漿終孔壓力為4～6 MPa。

圖5 底角注漿錨桿布置方式示意圖（mm）

3.2 效果分析

為有效分析XV1101 巷在注漿加固補強加固方案的實施效果，采用十字布點法進行注漿加固區域圍巖變形情況的監測分析。由于巷道頂板為堅硬的K2 石灰巖，在原有支護方案下，巷道頂板下沉量較小，故僅對注漿后兩幫變形和底板鼓起量進行具體分析，根據監測結果得出圍巖變形曲線如圖6。

圖6 注漿后巷道圍巖變形曲線圖

分析圖6 可知，XV1101 巷在采用注漿加固方案實施后，巷道圍巖變形主要出現在注漿結束后的0～20 d 內，當注漿方案實施30 d 后，兩幫移近和底板鼓起速率大幅降低，圍巖逐漸趨于穩定，最終底板鼓起量的最大值為38 mm，兩幫移近量的最大值為57 mm，有效解決了采動影響下巷道兩幫及底板變形量大的問題。

4 結論

通過現場觀測和鉆孔窺視分析XV1101 巷道變形特征，確定采用注漿加固方式進行巷道兩幫及底板的補強加固，結合巷道賦存特征，設計巷道兩幫采用淺孔+深孔注漿加固、底板采用注漿錨桿加固，有效解決了巷道兩幫變形及底板鼓起量大的問題。